鋰離子電池起火的原因分析

作為純電動汽車的能量來源，鋰離子電池起火的主要原因主要是電池過熱而造成的熱失控，這種過熱在電池充放電過程中最容易發(fā)生。由于鋰離子電池自身具有一定的內阻，在輸出電能為純電動提供動力的同時會產生一定的熱量，使得自身溫度變高，當自身溫度超出其正常工作溫度范圍間時將會損害整個電池的壽命和安全。純電動汽車中，動力電池系統(tǒng)是由多個動力電池單體電芯構成，在工作過程中產生大量的熱聚集在狹小的電池箱體內，如果熱量不能夠及時地快速散出，高溫會影響動力電池壽命甚至出現熱失控，從而引發(fā)起火爆炸等事故。從原理上說熱失控的原因主要有以下四個方面：

（1） 機械濫用

主要發(fā)生在汽車碰撞時，由于外力的作用，鋰電池單體、電池組發(fā)生變形，自身不同部位發(fā)生相對位移，導致電池隔膜被撕裂并發(fā)生內部短路; 易燃電解質泄漏最終引發(fā)起火。在機械濫用中，穿刺傷害最為嚴重，它可能會導體插入電池本體，造成正負極直接短路。相比之下，碰撞、擠壓等，只是概率性的發(fā)生內短路，穿刺過程熱量的生成更加劇烈，引發(fā)熱失控的概率更高。

 

（2）電濫用

電濫用主要是對電池的使用不當造成的，有外部短路、過度充電和過度放電幾種類型。其中，過渡放電導致的危害最小，但是由于過放造成的銅枝晶的增長會降低電池的安全性從而增加熱失控的幾率。外部短路是在兩個存在壓差的導體在電芯外部接通導致的結果，當外部短路發(fā)生時，電池產生的熱量無法很好的散去時，電池溫度也會隨之上升，高溫觸發(fā)熱失控。

過度充電是電濫用中危害最高的一種。由于過量的鋰嵌入，鋰枝晶在陽極表面生長。其次，鋰的過度脫嵌導致陰極結構因發(fā)熱和氧釋放而崩潰（NCA陰極的氧釋放）。氧氣的釋放加速了電解質的分解，產生大量氣體。由于內部壓力的增加，排氣閥打開，電池開始排氣。電芯中的活性物質與空氣接觸以后，發(fā)生劇烈反應，放出大量的熱，從而引發(fā)電池包的燃燒起火。

（3）熱濫用

熱濫用主要指在電池中的局部過熱，很少獨立存在，往往是通過機械濫用和電氣濫用發(fā)展而來，并且是最終直接觸發(fā)熱失控等事故的一種情況。熱濫用一般多為外部環(huán)境高或者在溫度控制系統(tǒng)不起作用下導致的電池熱量過高從而造成的短路，從而引發(fā)熱失控。從原因上說，熱濫用的原因是最為復雜的，電池包的碰撞、損壞，電池內部的結構、性能或是其他熱管理系統(tǒng)、空調系統(tǒng)的失靈都可能導致熱濫用的發(fā)生。

（4）內部短路

 

內部短路是由電池的正負極直接接觸，當然接觸的程度不同，引發(fā)的后續(xù)反應也差別很大，通常由機械和熱量濫用引起的大規(guī)模內部短路將直接導致熱濫用。引發(fā)內部短路原因同樣復雜，比如鋰離子電池過度充電，枝晶積累到一定程度導致刺穿電池隔膜，從而發(fā)生內部短路 或是碰撞、穿刺傷害之后直接導致正負極接觸而導致熱失控。與外部因素產生的內部短路相比，源于電池制造過程中自發(fā)的缺陷而引起的內部短路，程度比較輕微，先天內部短路產生的熱量很少，并不會立即觸發(fā)熱失控。而且這種內在缺陷會經過一段時間才會演化為程度較輕的內短路。

 

針對鋰離子電池熱失控的情況，目前國內主流的解決方法主要從外部保護和內部改進兩個方面進行改進。外部保護主要是指系統(tǒng)方面的升級改進，內部改進是指針對電池本身進行提高。

（1）冷卻方式的提升

熱管理系統(tǒng)主要負責控制溫度，確保電池一直處在一個合理的運行溫度下。通常，熱管理系統(tǒng)由整車控制器控制，在電池包溫度異常時，通過空調系統(tǒng)進行及時散熱或者加熱，保證電池安全以及壽命。電池的散熱方式根據導熱方式和介質的不同而分為四項：空氣冷卻（風冷）、液體冷卻（水冷）、相變材料（固體）、和結合冷卻（風冷/水冷 + 固體冷卻）幾種。

 

（2）內部材料及結構的改進

內部改進即從電芯內部的材料結構上進行改造，從而使電池具備更好的耐熱、散熱性能。以目前的研究熱點來說，發(fā)展固態(tài)電解液；對正負極進行結構改造；以及引入安全性更高的隔膜材料都是從內部提升電池熱性能的主流方法之一。

 

保護措施  

    鋰電池芯過充到電壓高于4.2V后，會開始產生副作用。過充電壓愈高，危險性也跟著愈高。鋰電芯電壓高于4.2V后，正極材料內剩下的鋰原子數量不到一 半，此時儲存格常會垮掉，讓電池容量產生永久性的下降。如果繼續(xù)充電，由于負極的儲存格已經裝滿了鋰原子，后續(xù)的鋰金屬會堆積于負極材料表面。這些鋰原子 會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過隔膜紙，使正負極短路。有時在短路發(fā)生前電池就先爆炸，這是因為在過充過程，電解液等 材料會裂解產生氣體，使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應，進而爆炸。因此，鋰電池充電時，一定要設定電壓上限，才可 以同時兼顧到電池的壽命、容量、和安全性。最理想的充電電壓上限為4.2V。  鋰電芯放電時也要有電壓下限。當電芯電壓低于2.4V時，部分材料會開始被破壞。又由于電池會自放電，放愈久電壓會愈低，因此，放電時最好不要放到 2.4V才停止。鋰電池從3.0V放電到2.4V這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%左右。因此，3.0V是一個理想的放電截止電壓。